РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В ENERGY BULLETIN

резонансные методы электроснабжения бесконтактного высокочастотного электрического транспорта

Дмитрий Стребков

академик РАН, Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), Россия nauka-ds@mail.ru

ключевые слова: Бесконтактный электрический транспорт, резонансные методы электроснабжения, мобильные энергетические средства, волновые линии, питание электротранспортных средств.

Аннотация: В статье рассказывается о бесконтактных методах передачи электрической энергии на транспортное средство. Автор описывает исследования резонансных методов электроснабжения мобильных энергетических средств. Оцениваются перспективы использования технологий бесконтактного привода в коммерческих проектах резонансных электротранспортных систем.

Стребков Дмитрий Семёнович - академик РАН, профессор, доктор технических наук. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) - ведущий научно-исследовательский центр в области агроин-женерной науки, машинно-технологической

модернизации сельского хозяйства страны, внедрения в сельхозпроизводство новейших интеллектуальных технологий и роботизированных технических средств нового поколения. Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ образован 19 октября 2016 года на базе Всероссийского научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства с присоединением к нему Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) и Всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ).

Известные бесконтактные методы передачи электрической энергии на транспортное средство с помощью электромагнитной индукции сопровождаются большими потерями в линии из-за большого индуктивного сопротивления проводов токам высокой частоты. При высокой частоте в витках обмотки приемника и в кабельной линии возникает ЭДС самоиндукции, направленная встречно по отношению к напряжению питающей тяговой подстанции, что значительно снижает КПД передачи, а применяемые методы борьбы с этими явлениями значительно усложняют и удорожают всю систему передачи электрической энергии!11

В настоящее время проводятся исследования резонансных методов электроснабжения мобильных энергетических средств (МЭС) по однопро-водниковой волноводной линии на повышенной частоте с использованием:

- однопроводниковой троллейной линии;!21

- однопроводниковой изолированной линии с бесконтактным троллеем;!31

- перемещающегося вместе с МЭС однопровод-никового сверхтонкого прочного кабеля;!4-61

- проводящего канала в воздухе, сформированного лазерным, микроволновым излучением или электронным лучом;!7-91

- проводящих сред в виде земли, воды, металлических труб.110-121

Третий и четвертый методы имеют ограничения по протяженности линии электропередачи (не более 1-30 км.). Кроме того, четвертый метод требует обоснованных решений в области экологической безопасности. Пятый метод может быть использован локально только при наличии изолированных участков с проводящими средами. При отсутствии изоляции электрическая энергия будет распространяться по всей территории Земли, что может создать экологические и правовые проблемы. В процессе работы были рассмотрены все возможные методы электроснабжения МЭС и дана их сравнительная оценка.

Для электроснабжения МЭС в настоящее время наиболее приемлемы второй и третий методы. Использование однопроводниковой линии с бесконтактным троллеем для электроснабжения МЭС не имеет принципиальных ограничений по протяженности линии. Разрабатываемая техника и технология может быть использована для электроснабжения любых наземных транспортных средств: электрических автомобилей, электрокаров и электропогрузчиков на складах, троллейбусов, трамваев, железнодорожного и шахтного электротранспорта, инвалидных колясок и т.д.

Однопроводниковая линия выполняется изолированной и она безопасна в отличие от голого контактного провода при троллейном способе электроснабжения и более надежна благодаря отсутствию коротких замыканий, износа и искрения. При наземной и подземной прокладке однопро-водниковая линия освобождается от опор, тросов и проводов и не требует отчуждения от земли. Однопроводниковая линия, в отличие от обычных двух- и трехпроводных линий, имеет малое индуктивное и емкостное сопротивление.

Резонансный бестроллейный метод электроснабжения МЭС основан на физическом принципе, который до настоящего времени не использовался при передаче электрической энергии. В предлагаемом бесконтактном троллее вместо явления электромагнитной индукции и передачи электроэнергии через воздушный трансформатор используется явление электростатической индукции с передачей электроэнергии через воздушный конденсатор.131

Электрическая мощность, которая передается через воздушный конденсатор на мобильное энергетическое средство, определяется по фор-

муле:"

Р = 2К040СУг

(4.1)

где ¡0 - резонансная частота; С - емкость воздушного конденсатора;

V - напряжение в линии; К0 - коэффициент связи.

Представляя К0 = 1,/0 = 5 кГц, С = 10х10-9 ф,

V = 35 кВ, получим Р = 384,65 кВт.

Экспериментальный образец резонансной бестроллейной системы электроснабжения мобильного энергетического средства включает: мобильное гибридное энергетическое средство (МЭС) электрической мощностью 220 кВт с дизель-генераторной установкой на борту, производства Минского тракторного завода. Дополнительно на борту МЭС устанавливается бесконтактный приемник электрической энергии в виде пластины воздушного конденсатора на напряжение 35110 кВ; понижающий высокочастотный трансформатор 35-110 кВ/0,4 кВ, 250 кВт, частотой 1-30 кГц; конденсаторный блок резонансного контура; инвертор 0,4 кВ,1 -30 кГц/220/380 В, 50 Гц.

Для электроснабжения МЭС используется комплектная трансформаторная подстанция (КТП) 250 кВт, 220/380В, 50 Гц. Дополнительно на КТП устанавливаются:

- преобразователь частоты 250 кВт, 220/380 В, 50 Гц/1-30 кГц;

- повышающий высокочастотный резонансный трансформатор 0,4 кВ/35-110 кВ, 1-30 кГц;

- конденсаторный блок резонансного контура.

Для передачи электрической энергии на МЭС используется специальная кабельная однопроводниковая линия напряжением 35-110 кВ, сечением проводника 1-5 мм2. Кабельная однопро-водниковая линия размещается в поле на уровне земли с расстоянием между соседними участками, равным удвоенной ширине захвата МЭС. Например, при ширине захвата 18 м расстояние между соседними участками кабельной линии составляет 36 м.

Разработаны экспериментальные модели макета электромобиля, электротрактора и электровоза, которые получают энергию от однопро-

В ENERGY BULLETIN

водниковой изолированной кабельной линии, проложенной в дорожном покрытии, в земле или между рельсами (рис. 4).

В 2013-2014 гг. были разработаны методы и устройства электроснабжения воздушных летательных аппаратов'141 для ракетно-космических комплексов™ и планеров и электросамолетов при взлете.!161

Действующие макетные образцы резонансной электрической системы позволяют при помощи реактивных токов повышенной частоты передавать электрическую мощность по одному проводнику или другой проводящей среде от источника электрической энергии - генератора к электроустановке - потребителю и могут быть использованы для исследования нового метода передачи электрической энергии в научных лабораториях и лабораторных практикумах высших учебных заведений, колледжей и техникумов, а также могут быть предложены заинтересованным специалистам для использования при разработке новых электротехнологий в различных областях электроэнергетики и электротехники.

Разрабатываемая резонансная однопровод-ная система питания мобильных электроагрегатов требует применения преобразователя частоты, повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов, вносящих дополнительные затраты, но вместе с тем, имеет ряд преимуществ перед известными способами питания электроустановок по трех- или четырехпроводным питающим кабелям, предопределяет высокую эксплуатационную надежность электроснабжения и малые потери мощности, повышенную маневренность электроагрегата, снижение расхода проводникового материала и уменьшение металлоемкости.

Применение электрических генераторов повышенной частоты с приводом от ветросиловых установок или гидросиловых устройств дает возможность осуществлять прямую передачу электрической энергии по однолинейной схеме, исключая преобразователи частоты.

Разработанный способ питания электротранспортных средств обладает малыми потерями, обеспечивает высокую маневренность электротранспортного средства и возможность питания электротранспортных средств с резиновыми и другими колесами из электроизоляционного и проводящего материала при многорядном движении по автостраде. Схема питания электро-

транспортных средств предусматривает подачу электрической энергии от источника через высоковольтный высокочастотный преобразователь и однопроводниковую линию к индивидуальным токоприемникам транспортных средств методом электростатической индукции через воздушный промежуток, образуемый между изолированной однопроводниковой линией, проложенной в дорожном покрытии или в земле непосредственно около их поверхности, и токоприемником, установленным под днищем электротранспортного средства. Питание мобильного средства осуществляется от резонансной однопроводной системы с использованием переменного электростатического поля с частотой 0,1-100 кГц и напряжением в линии 0,5-500 кВ. Напряжение на токоприемнике понижают и выпрямляют, а принятую электрическую энергию аккумулируют и подают на клеммы приводного электродвигателя транспортного средства. Токоприемник выполнен в виде тонкого изолированного листа из проводящего материала и установлен на транспортном средстве параллельно однопроводниковой линии. Вход приемного резонансного контура присоединен к токоприемнику через резонансный понижающий трансформатор, а выход через выпрямитель, аккумулятор и блок управления подключен к электродвигателю электротранспортного средства.6 17 181

Способ питания электротранспортных средств и устройство для его реализации поясняется рис. 1, на котором изображена общая схема устройства, реализующего способ питания электротранспортных средств методом электростатической индукции через воздушный зазор между одно-проводниковой кабельной линией в дорожном покрытии и токоприемником, установленным под днищем транспортного средства."71 Устройство на рис. 1 содержит источник электрической энергии 1 повышенной частоты и резонансную электрическую систему, состоящую из двух резонансных контуров, передающего 2 и приемного 3, и двух резонансных высокочастотных трансформаторов 4 и 5, соединенных однопроводниковой линией 6, установленной между повышающим 4 и понижающим 5 трансформаторами. Один из выводов высоковольтной обмотки 8 понижающего высокочастотного трансформатора 5 соединен с естественной емкостью 9. Источник электрической энергии 1, резонансный контур 2, высокочастотный трансформатор 4 и однопроводниковая линия 6

установлены стационарно, а резонансный контур 3, высокочастотный трансформатор 5 установлены на транспортном средстве 10. Стационарная и передвижная часть резонансной системы соединены с помощью воздушного конденсатора 11, одна из обкладок которого выполнена стационарно в виде однопроводниковой линии 6 в дорожном покрытии 12, а вторая обкладка выполнена перемещающейся в виде плоского токоприемника 13, установленного под днищем 14 транспортного средства 10. Расстояние а между обкладками воздушного конденсатора составляет 0,1-1 м. Однопроводниковая линия 6 установлена в дорожном покрытии 12 под каждым рядом движения и снабжена электрической изоляцией 15. Токоприемник 13 установлен под днищем транспортного средства 10 на изоляторах 16 с воздушным зазором а относительно дорожного покрытия 12 и однопроводниковой линии 6 и соединен с приемным резонансным контуром 3, выход 17 которого соединен через выпрямитель 18, аккумулятор 19 и блок управления 20 с электродвигателем 21 транспортного средства 10. В качестве естественной емкости 9 может быть использовано изолированное проводящее тело или корпус транспортного средства.

Устройство на рис. 2[181 содержит трехфазный источник электрической энергии 1 частотой 50 Гц, трехфазный преобразователь частоты 2 и резонансную электрическую систему, состоящую из шести резонансных контуров, трех передающих

3, установленных стационарно, и трех приемных

4, установленных на трех электротранспортных средствах, шести однопроводных резонансных высокочастотных трансформаторов 5 и 6, соединенных тремя однопроводниковыми линиями 7, установленными под каждой полосой движения 2 в дорожном покрытии 8 между повышающим 5 и понижающим 6 трансформаторами. Один из выводов 9 высоковольтной обмотки 10 понижающего высокочастотного трансформатора 6 соединен с естественной емкостью 11. Источник электрической энергии 1, трехфазный преобразователь частоты 2, три резонансных контура 3, три высокочастотных трансформатора 5 и три однопроводниковые линии 7 установлены стационарно, а резонансные контуры 4, высокочастотные трансформаторы 6 установлены на каждом электротранспортном средстве 12. Стационарная и передвижная часть резонансной системы сое-

5 3 17 18 19

Рис. 1. Схема питания электротранспортных средств методом электростатической индукции.

динены с помощью воздушного конденсатора 13, одна из обкладок которого выполнена стационарно в виде однопроводниковой линии 7 в дорожном покрытии 8, а вторая обкладка выполнена перемещающейся в виде плоского токоприемника 14, установленного под днищем электротранспортного средства 12. Промежуток между обкладками воздушного конденсатора а = 0,01-1 м. Кабельные однопроводниковые линии 7 установлены в дорожном покрытии 8 под каждым рядом движения и снабжены дополнительно слоем электрической изоляции 15 для дополнительной изоляции линии 7 от дорожного покрытия и поверхности земли. Изоляция 15 выполнена в виде слоя кварцевого песка между кабельной линией 7 и поверхностью дорожного покрытия и земли. Слой кварцевого песка 15 скреплен водонепроницаемым гидрофобным веществом в монолитную среду и предназначен для снижения емкости линии 7 относительно земли в условиях воздействия атмосферных осадков. Токоприемники 14 установлены под днищем электротранспортных средств 12 на изоляторах 16 с воздушным промежутком а между дорожным покрытием 8 и однопроводниковой линией 7 и соединены с приемным резонансным контуром 4, выход 17 которого соединен через выпрямитель 18, аккумулятор 19 и блок управления 20 с электродвигателем 21 транспортного средства 12. В качестве естественной емкости 11 может быть использовано изолированное проводящее тело или земля.

23 24 4

22 3 23 5

6 9 9 11 12 17 18 19 20 21 12

15 7 14 10 13 13 7 16 25 24

Рис. 2. Схема бесконтактного способа питания электротранспортных средств.

Способ реализуется следующим образом.

К трехфазному источнику электрической энергии 1 стандартной частотой 50 Гц через трехфазный преобразователь частоты 2 присоединяют три передающих резонансных контура 3, каждый из которых состоит из конденсатора 22 и низковольтной обмотки 23 повышающего трансформатора 5. Электрические колебания тока и напряжения в режиме резонанса повышают по частоте до 0,1-400 кГц и по напряжению до 0,4-100 кВ и направляют по трем однопроводни-ковым электроизолированным линиям 7 вдоль дорожного покрытия 8, по которому перемещаются электротранспортные средства 12.

На рис. 2 показаны три ряда движения. В одно-проводниковых линиях возникают стоячие волны в виде пучностей и узлов напряжения и тока. При полуволновой длине линии

2

пучность напряжения располагается приблизительно в середине линии 7, а пучности тока сдвинуты на 90° или на

Л 4

относительно пучностей напряжения и располагаются на краях линии, на выводах 9 и 25 резонансных трансформаторов 5 и 6. Фазовый сдвиг между волнами тока и напряжения приводит к появле-

нию свободных электрических зарядов в линии 7, которые перемещаются вдоль линии 7 от источника энергии 1 к потребителю - электродвигателю 21, приводящему в движение колеса 24 транспортного средства 12. Благодаря электростатической индукции и использованию переменного электрического поля через воздушный конденсатор в токоприемнике 14 формируют электрический заряд и ток, которые поступают через понижающий трансформатор 6 в приемный резонансный контур 4, который настроен на частоту/0=0,1 -400 кГц передающего контура 3. Электрические колебания тока и напряжения в приемном резонансном контуре 4 выделяются на резонансной частоте /0 и поступают через выпрямитель 18, аккумулятор 19 и блок управления 20 на тяговый электродвигатель 21 электротранспортного средства 12.

На рис. 3 однопроводниковые линии 7 установлены над дорожным покрытием над каждым рядом движения на высоте, превышающей высоту электротранспортного средства 12. Однопроводниковые линии закреплены на опорах 25 и изолированы друг от друга с помощью изоляторов 26. Токоприемники 14 удалены от линий 7 на расстояние а. В качестве естественной емкости 11 используют металлические экраны, установленные под днищем транспортного средства 12 на изоляторах 27.

На рис. 4 (а) источник электрической энергии повышенной частоты 28 через резонансный кон-

8

7 15

Рис. 3. Схема бестроллейного питания электротранспортных средств через воздушный конденсатор от контактной сети.

32 36 16 33 37 34

\ / / / / \

i к \ / / / /

1/2

1 г п г, j

Рис. 4 (а, б). Схемы питания электротранспортных средств от однопроводниковой кабельной линии, установленной в дорожном покрытии.

тур 3, состоящий из емкости 22 и низковольтной обмотки 23 однофазного высокочастотного трансформатора 29, передает электрическую энергию на однопроводниковую линию 30, которая зигзагообразно установлена на каждом ряде движения 31. Расстояние между соседними участками 32 и 33, 34 и 35 однопроводниковой линии 30 Ь = 0,5-5 м, а длина каждого участка 32 и 33 в зависимости от частоты составляет

- = 0,1-100 км.

2

На рис. 4 (б) представлена схема питания электротранспортного средства 12 от однопро-водниковой линии 30, установленной в дорожном покрытии 8 зигзагообразно в виде участков 32 и 33 в одном ряду движения и 33, 34 в другом ряду движения. Электротранспортное средство 12 имеет два токоприемника 36 и 37, установленные на изоляторах 16 напротив участков 32 и 33 под днищем электротранспортного средства 12 с промежутком а относительно дорожного покрытия 8[181

Токоприемники 36 и 37 подключены к высоковольтной обмотке 10 резонансного понижающего трансформатора 6. Направление токов, показанное в соседних участках однопроводниковой линии 30 знаками ® и ®, является встречным, и между этими участками имеется разность потенциалов ДУ, зависящая от расстояния I вдоль линии 30 между этими участками, частотыи напряжения в линии

3

5

7

25

26

14 16

26

12

26

32

30

33

31

34

35

22

3

23

30

38 39

0 R

42 a 43 \ » \

t I

8 0 \ [ fr .........ft

tfflil

rib rih\ dh d b

1 1

26 42 38 13 26

Ф R

Рис. 5 (а, б). Схемы электроснабжения бесконтактного высокочастотного рельсового электротранспорта от однопроводниковой контактной сети.

30. Эта разность потенциалов ДУ поступает через трансформатор 6 на резонансный контур 4.

Электрическая энергия, выделенная на резонансном контуре 4, через выпрямитель 18, аккумулятор 19 и блок управления 20 поступает на электродвигатель 21, связанный трансмиссией с колесами 24 электротранспортного средства 12.

На рис. 5 однопроводниковая линия 38 установлена над рельсовым электротранспортным средством 39 (например, над поездом), имеющим большую протяженность I. На крайних вагонах 40 и 41 установлены токоприемники 42 и 43 с воздушным промежутком а между токоприемниками 42, 43 и однопроводниковой линией 38. Токоприемники 42 и 43 подключены к высоковольтной обмотке 10 резонансного понижающего трансформатора 6. Способ питания электротранспортного средства 39 аналогичен способу на рис. 6. Если в способе питания электротранспортного средства согласно рис. 4 разность потенциалов на длине I незначительна, каждый из токоприемников 42 и 43 одновременно присоединяют к двум дополнительным резонансным понижающим трансформаторам 44, как показано на рис. 5, для получения электроэнергии с использованием полного потенциала линии в месте нахождения электротранспортного средства 39.

На рис. 5 (б) рельсовое электротранспортное средство 45 присоединено к однопроводниковой линии 38 через воздушный конденсатор 13 с рас-

стоянием между обкладками, а в качестве обкладок используют однопроводниковую линию 38 и токоприемник 42. Однопроводниковая линия 38 закреплена между опорами 46 и 47 с помощью изоляторов 26. Один из выводов высоковольтной обмотки 9 присоединен через рельсы 48 к земле1.181 На рис. 6 показана схема устройства для питания рельсового электротранспортного средства 46 от трехфазной резонансной системы по трем однопроводниковым линиям 7, установленным под каждым направлением движения. Три од-нопроводниковые линии 7 рельсового электротранспорта от однопроводниковой контактной сети установлены между рельсами 48 на шпалах 49 в изолирующем корпусе. Под днищем электротранспортного средства 46 установлены на изоляторах три плоских токоприемника 27, соединенные с тремя высоковольтными обмотками 51 трех резонансных понижающих трансформаторов 52. Низковольтные обмотки 53 трансформаторов 52 через емкости 54 соединены с трехфазным выпрямителем 55, аккумулятором 19, блоком управления 20 и тяговым электродвигателем 21, свободные концы 56 высоковольтных обмоток 51 и свободные концы 57 низковольтных обмоток 53 соединены через рельсы 48 с землей!181

Способ питания реализуется следующим образом. При подаче питания по трем однопроводниковым линиям 7 от трехфазного источника энергии между однопроводниковыми линиями

6

40

41

48

53 54 55 19

Рис. 6. Схема питания бесконтактного рельсового электротранспорта от трехфазной сети.

возникает разность потенциалов и разность фаз. В каждой из однопроводниковых линий устанавливается режим стоячих волн с узлами и пучностями тока и напряжения и сдвигом фаз 90° между пучностями тока и напряжения. В условиях резонанса частот в резонансных контурах понижающего резонансного трансформатора возникают колебания электрической энергии, передаваемой через воздушные конденсаторы 13 методом электростатической индукции.

На рис. 7 в качестве однопроводниковой линии используется проводящая поверхность водной среды 49. Электрическая энергия передается на воздушное электротранспортное средство 50 от источника энергии повышенной частоты 28 через резонансный высокочастотный трансформатор 29, водную среду 49, воздушный конденсатор 51 с промежутком а между проводящей поверхностью водной среды 49 и токоприемником 52, установленным под днищем электротранспортного средства 50 и изолированного от него изолирующей прокладкой 53. Токоприемник 52 присоединен к высоковольтной обмотке 10 понижающего резонансного трансформатора 6. Другой конец 9 высоковольтной обмотки 10 соединен с естественной емкостью 54, выполненной в виде металлической оболочки в верхней части корпуса 55, изолированной от корпуса слоем изоляции 56. Электрическая энергия через выпрямитель 18, аккумулятор 19, блок управления 20 передается на электродвигатели 21 и 57 для создания

воздушной подушки и перемещения электротранспортного средства 50. В качестве воздушного электротранспортного средства могут быть использованы экранолеты и суда на воздушной подушке!181

На рис. 8 (а) однопроводниковая линия выполнена в виде проводящей поверхности в форме спирали 56 из изолированного проводника, установленного на поверхности земли или непосредственно под поверхностью земли. Площадь спирали 56 соизмерима с площадью перемещения электротранспортного средства 57.

На рис. 8 (б) проводящая поверхность выполнена в виде сетки 58 из проводящего материала, установленной на поверхности земли.

На рис. 8 (в) проводящая поверхность выполнена в виде множества параллельно соединенных однопроводниковых линий 59, длина которых Ь равна длине перемещения электротранспортного средства 57, а расстояние с между однопровод-никовыми линиями в 3-5 раз меньше ширины Ь электротранспортного средства 57.

На рис. 8 (г) проводящая поверхность выполнена в виде электроизолированной металлической пленки 60, установленной на поверхности

земли.!181

В отличие от электромагнитной индукции, величина которой при передаче энергии через воздушный трансформатор пропорциональна напряжению в первой степени, электростатическая индукция пропорциональна квадрату напряжения на конденсаторе 13. Однопроводниковые линии, в отличие от двух- и трехпроводниковых линий, используемых при передаче энергии в методе электромагнитной индукции, имеют малое индуктивное и емкостное сопротивление, что позволяет передать без больших потерь электрическую энергию бесконтактным методом.

На рис. 9 приемник 9 проводящего канала 5 с помощью высоковольтных изоляторов 11 установлен на крыше транспортного средства 38, например электрического трактора. В качестве электрического приемника 10 служит система электропривода управления трактором 38, которая соединена с приемником 9 через диодно-кон-денсаторный блок 13[.7- 191

Источник электропитания 1, генератор излучения 2, электроизолирующий экран 7 и формирователь 4 канала установлены на некотором расстоянии от транспортного средства

57 56 52

9 10 6

57 21 20 19 18 49 51 52 53

Рис. 7. Схема питания воздушного электротранспортного средства через водную проводящую среду.

56

57

т

28

Рис. 8 (а, б, в, г). Схемы бесконтактного питания электротранспортного средства от проводящей поверхности различной формы.

38 и имеют общую систему слежения 39 за транспортным средством 38. Система слежения 39 обеспечивает соединение проводящего канала 5 с приемником 9 при произвольном перемещении транспортного средства 38. В общем случае стационарный источник энергии может иметь несколько генераторов излучения 2, формирующих несколько проводящих каналов 5 для электроснабжения нескольких транспортных средств 38 одновременно.

Для передачи электрической энергии в импульсном режиме в виде одиночных импульсов или чередующихся пакетов электрических импульсов устройство на рис. 9 имеет синхронизатор

40 для подачи на формирователь 4 проводящего канала 5 одновременно импульсов от генератора 2 и электрических импульсов от высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла 3.

На рис. 10 стационарный источник электрической энергии 1 через высоковольтный высокоча-

стотный трансформатор Тесла 3 соединен кабелем 41 с металлическим ленточным У-образным приемником 42, установленным на изоляторах 11 вдоль дороги 43 перемещения транспортного средства 44, например электрического автомобиля, имеющего устройство ориентации 45. Генератор излучения 2 (рис. 9), формирователь проводящего канала 4 и электроизолирующий экран 7 установлены на транспортном средстве 44 и имеют устройство ориентации 45 на металлический У-образный ленточный приемник 42 (рис. 10)!191

Формирователь проводящего канала соединен с электрическим приемником 45, системой электропривода и управления транспортного средства 44 и со вспомогательным маломощным источником электрической энергии 46 через вспомогательный высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла 47 (рис. 11). В общем случае по дороге 43 может передвигаться несколько транспортных средств 44, каждое из которых со-

29

54 55 56

сжо)

Рис. 9. Схема способа и устройства для передачи электрической энергии на транспортное средство, движущееся по произвольной траектории.

Рис. 10. Схема способа и устройства для передачи электрической энергии на транспортное средство, движущееся по заданной траектории (например, электромобиля на шоссе).

46 46

Рис. 11. Схема устройства для формирования проводящего канала и приема электрической энергии на транспортном средстве, движущемся по заданной траектории.

единено проводящим каналом с металлическим ленточным приемником 42.

Способ и устройство передачи электрической энергии на транспортное средство, движущееся по произвольной траектории, содержит дополнительно систему слежения 39 (рис. 9) за транспортным средством 38, содержащую оптический лазерный локатор или радиолокатор для определения координат транспортного средства, и исполнительное устройство в виде поворотной платформы, на которой установлены генератор излучения 2, формирователь проводящего канала 4 и электроизоляционный экран 7.

В способе и устройстве для передачи электрической энергии транспортному средству, перемещающемуся по определенной траектории, в качестве примера используют гибридный автомобиль 44 (рис. 10) с двигателем внутреннего сгорания и электрическим приводом, движущийся по дороге 43.

На автомобиле 44 установлен оптический квантовый генератор (лазер) 2 на неодимовом стекле электрической мощностью 0,5 кВт (рис. 11). Соосно с излучением генератора 2 установлен электроизолирующий экран 7 и формирователь проводящего канала 4. Формирователь проводящего канала 4 соединен со вспомогательным источником электрической энергии 46 через вспомогательный высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла 47, которые установлены на автомобиле. Электроизоляционный экран выполнен в виде вакуумированного цилиндра из оптического стекла или в виде цилиндра из сплошного оптического стекла с полированными торцами, на которые нанесено просветляющее покрытие. На внешний торец экрана нанесено прозрачное проводящее покрытие 6, например, на основе пленок из оксидов олова и индия. Это проводящее покрытие 6 соединено проводом с формирователем 4 и с диодно-конденсаторным блоком 13. Диаметр цилиндра составляет 5-50 диаметров излучения генератора, а длина 150 мм на каждые 10 кВ напряжения на формирователе канала.

Вдоль дороги 43 в средней ее части (рис. 13) на высоте 5-6 м установлен на изоляторах 11 ленточный металлический У-образный приемник 42 шириной 40-100 см, который соединен в одном или нескольких местах вдоль дороги с источником электрической энергии через вы-

2 6 7

4

5

9

3 7

4

В ENERGY BULLETIN

соковольтный высокочастотный трансформатор Тесла 3. Генератор излучения 2, изолирующий экран 7 и формирователь канала 4 установлены на крыше автомобиля и имеют устройство 45 для постоянной ориентации генератора излучения и проводящего канала на ленточный приемник излучения 42!191

Так как высота установки У-образного ленточного приемника 42 одинакова по длине дороги 43 и повторяет ее профиль, то для автомобиля, двигающегося в одном ряду, ориентация генератора излучения на ленточный приемник остается постоянной и не требует корректировки. При переходе в другой ряд осуществляют фиксированное изменение угла наклона генератора и при дальнейшем сохранении рядности ориентация генератора остается постоянной.

При двухстороннем движении по 8 рядов в каждом направлении при ширине ряда 4 м и У-образном расположении ленточного приемника 42 на высоте 6 м над разделительной полосой между двумя направлениями движения максимальная длина проводящего канала от крайнего ряда до ленточного приемника 42 для каждого направления составит 32 м, а минимальное расстояние - 8 м!71

Формирователь проводящего канала на автомобиле соединен с системой электропривода и управления автомобиля через диодно-кон-денсаторный блок 13 (рис. 11) из двух встречно включенных диодов, присоединенных к противоположным выводам конденсатора. Общий вывод обоих диодов присоединен к формирователю канала. Электрический привод присоединен к выводам конденсатора через диод. При напряжении 110 кВ на ленточном приемнике 42, частоте 30 кГц и емкости линии и конденсатора нагрузки 2000 пФ передаваемая мощность составит 60 МВт. При мощности электропривода автомобиля 60 кВт один источник электрической энергии и ленточный приемник обеспечат электрической энергией одновременное движение 1 000 автомобилей. Для увеличения количества автомобилей источник электрической энергии с высоковольтным высокочастотным трансформатором Тесла 3 устанавливают через определенное расстояние вдоль дороги 43 и соединяют с ленточным приемником 42 с помощью кабеля 41!191

В качестве генератора излучения для формирования проводящего канала может быть исполь-

зован генератор микроволнового, рентгеновского и другого излучения, генератор аэрозолей и другие устройства, создающие повышенную проводимость канала по оси пучка излучения.

Преимущество предлагаемого способа электропитания электротранспортных средств при подземной прокладке однопроводниковой линии 7 заключается в освобождении дороги от опор, тросов, проводов и троллеев и в возможности электропитания грузовых и легковых автомашин, автобусов, инвалидных колясок, вну-трискладского транспорта. Однопроводниковая линия 7 выполняется изолированной, и она безопасна в отличие от голого контактного провода при троллейном способе электропитания. Предлагаемые способ и устройство электропитания электротранспортных средств имеют более высокую надежность по сравнению с троллейным способом электропитания благодаря отсутствию износа и искрения при бесконтактном методе передачи электроэнергии!71

Разработано техническое решение для бесконтактной передачи энергии, которое может быть использовано для электропитания троллейбусов, электромобилей, электропогрузчиков, трамваев, электротракторов, электровозов, переносных компьютеров, мобильных телефонов и других электронных устройств!201

Устройство беспроводной передачи электрической энергии для питания электротранспортных средств, мобильных телефонов и других электронных приборов содержит источник энергии, соединенный с преобразователем частоты и резонансным повышающим трансформатором, однопроводниковую линию и воздушный зазор между однопроводниковой линией и токоприемниками потребителя, однопроводниковая линия выполнена экранированной и соединена с излучающей пластиной воздушного конденсатора, через воздушный промежуток над излучающей пластиной расположена приемная пластина конденсатора, приемная и излучающая пластины с наружной стороны воздушного конденсатора экранированы, приемная пластина подключена к понижающему резонансному трансформатору, низковольтная обмотка которого соединена с выпрямителем и зарядным устройством, причем излучающая пластина установлена на стене, на полу, встроена в мебель или дорожное покрытие, а приемная пластина с понижающим резонан-

ВШ.1.ЕТШ № 24, 2018

2 3 5 4 6 8 9

13 14 14 11

26 24

и

25 14 15

Рис. 12. Электрическая схема беспроводной передачи электрической энергии на мобильное зарядное устройство.

Рис. 13. Схема подключения воздушного конденсатора к экранированной однопроводниковой линии.

14 15

23 12

25 8

9

10

сным трансформатором встроена в электронное устройство.

В вариантах устройства беспроводной передачи электрической энергии излучающая и приемная пластины воздушного конденсатора выполнены в виде изолированного металлизированного пластика. Излучающая и приемная пластины выполнены в виде изолированного металлического листа или в виде изолированной сетки из проводящего материала.

Экран однопроводниковой линии изолирован от однопроводниковой линии и от земли и соединен с землей через индуктивность

1

Ь =

4*2/о2Сэ

где/0 - резонансная частота однопроводниковой линии, а Сз - емкость экрана однопроводниковой линии.

На рис. 12 представлена электрическая схема способа и устройства для беспроводной передачи электрической энергии на мобильное зарядное устройство, а на рис. 13 представлена схема подключения воздушного конденсатора к экранированной однопроводниковой линии.

На рис. 12 электрическую энергию от источника питания 1 преобразуют по частоте в преобразователе частоты 2 и подают на резонансный контур Ь0С0, состоящий из емкости С0 3 и индуктивности первичной обмотки Ь0 4, повышающего высокочастотного трансформатора 5. Высоковольтная обмотка 6 трансформатора 5 заземлена через емкость С, 7, которая вместе с индуктивностью Ь1 обмотки 6 составляет последовательный резонансный контур!201

Электрическую энергию на резонансной частоте:

/■=- 1 1 Уо ,

2л^Ь0С0 2л^1лС1

повышают по напряжению и подают на од-нопроводниковую изолированную линию 8. Для снижения потерь на излучение изолированная линия 8 снабжена экраном 9, который выполнен из металлической сетки и имеет дополнительную наружную изоляцию 10. Излучающая пластина 11 и приемная пластина 12 воздушного конденсатора 13 с наружных сторон снабжены слоем изоляции 14 и экраном 15, снижающим потери на излучение в окружающее пространство. Электрическую энергию от однопроводной линии 8 подают на излучающую пластину 11 воздушного конденсатора 13 и затем в виде электромагнитного излучения на частоте/0 передают на приемную пластину 12, а затем на приемный понижающий трансформатор 16, высоковольтная обмотка 17 которого присоединена к естественной емкости 18. Низковольтная обмотка 19 через емкость С2 20 соединена через выпрямитель 21 с заряжаемым мобильным устройством 22. Индуктивность Ь2 обмотки 20 и емкость С2 конденсатора 20 образуют резонансный контур с частотой:

/о =

1

1

2 я^Ь2С2 2к^Ь0С0

На рис. 13 однопроводниковая линия 8 со слоем изоляции 9 и экраном 10 присоединена к излучающей пластине 11 воздушного конденсатора 13. Приемная пластина 12 соединена проводником 23 с высоковольтной обмоткой 17 высокочастотного трансформатора 16. Излучающая 11 и при-

емная 12 пластины с наружной стороны воздушного конденсатора 13 имеют слой изоляции 14 и экран 15. Экран 10 однопроводниковой линии 8 изолирован от земли 24 слоем изоляции 25 и соединен с землей 24 с помощью индуктивности 26. Индуктивность Ьэ 26 компенсирует емкость Сэ экрана 15 на резонансной частоте /0 и рассчитывается по формуле:

Пример выполнения способа и устройства беспроводной передачи электрической энергии

Преобразователь частоты 2 мощностью 100 Вт питает повышающий высокочастотный резонансный трансформатор 3, имеющий выходное напряжение 3000 В и резонансную частоту 30 кГц. Высоковольтная обмотка 6 трансформатора 5 соединена однопроводниковой линией 8, выполненной из экранированного изолированного провода ПВВ-1 с сечением меди 1 мм2, с излучающей пластиной 11 конденсатора 13, выполненной из металлизированного пластика, прикрепленного к нижней поверхности офисного стола, металлизированной поверхностью вверх. Приемная пластина 12 выполнена из пластика, внутри которого расположена металлическая фольга, и крепится к нижней поверхности ноутбука. Приемная пластина 12 соединена с высоковольтной обмоткой 17 приемного понижающего трансформатора 16. Низковольтная обмотка 19 трансформатора 16 с выходным напряжением 19 В соединена с выпрямителем 21, который подключен к стандартному входному разъему питания ноутбука. Высоковольтная обмотка 17 содержит 1 400 витков проводом диаметром 0,25 мм, низковольтная обмотка содержит 18 витков проводом с диаметром 1,1 мм. Размеры трансформатора 16 составляют 40x50x75 мм. Устройство позволяет питать ноутбук в любой точке офисного стола, где расположена излучающая пластина.

Наличие излучающей 11 и приемной 12 пластины в 2-5 раз увеличивает емкость воздушного конденсатора 13 и передаваемую электрическую мощность по сравнению с воздушным конденсатором, образованным кабельной однопроводной линией и приемной пластиной токоприемника. При этом снижаются потери в тяговой линии,

исключаются необходимость компенсации индуктивного сопротивления и ЭДС, самоиндукции в линии и в приемнике последовательным включением конденсаторов. Не требуется транспозиция -перекрещивание тяговых кабелей. Снижается стоимость и повышается КПД бесконтактного метода передачи электрической энергии!201

Совместно с инженером ГНУ ВИЭСХ В.З. Трубниковым разработано техническое решение для бесконтактного электроснабжения электротранспортных средств, питающихся от однопроводниковой линии электропередачи резонансной системы электроснабжения. Возможно его применение в системах пассажирского и грузового городского, промышленного, сельскохозяйственного транспорта.!21, 221

В устройстве бесконтактного электроснабжения электротранспортного средства осуществляют сложение полей, транспортирующих электроэнергию, при этом в зоне приема электроэнергии вектор магнитной индукции электромагнитного поля ориентируют вертикально относительно дорожного покрытия, горизонтально относительно дорожного покрытия и вдоль направления движения электротранспортного средства или поперек направлению движения электротранспортного средства.

Для повышения эффективности в устройстве бесконтактного электроснабжения электротранспортного средства энергоприемное устройство встроено в колеса электротранспортного средства.

На рис. 14 изображено электротранспортное средство 1, первичный источник электроэнергии 2 высокой частоты, высоковольтный трансформатор 3, резонансный конденсатор 4, первая одно-проводниковая линия электропередачи 5, энергосъемное устройство 6, устройство обратного преобразования электроэнергии на электротранспортном средстве 7, вторая однопроводниковая линия электропередачи 8, ..., п-я однопроводни-ковая линия электропередачи 9. Первая 5, вторая 8, ..., п-я однопроводниковые линии электропередачи проложены в непосредственной близости от поверхности дорожного покрытия 10, энергосъемное устройство 6 установлено на днище 11 электротранспортного средства 1 и отделено от дорожного покрытия 10 воздушным зазором 12. Электротранспортное средство 1 перемещается на колесах 13. Потоки энергии 14 при элек-

5 8 9 12 10

Рис. 14. Состав системы электроснабжения электротранспортного средства.

Рис. 15. Стоячие волны напряженности магнитного поля вокруг однопроводникового кабеля линии электропередачи.

троснабжении электротранспортного средства 1 проходят через воздушный зазор 12. Первая 5 и вторая 8, ... , п-я однопроводниковые линии электропередачи имеют длину, равную половине волны резонансной частоты. При этом первая и вторая однопроводниковые линии электропередачи располагаются параллельно друг другу на расстоянии, равном I = -\/й, где I - расстояние между первой и второй, ... , п-й однопроводнико-выми линиями электропередачи; к - расстояние от энергоприемного устройства до плоскости размещения однопроводниковых линий электро-

передачи.!211

Устройство работает следующим образом. При включении первичного источника электроэнергии в первой 5, второй 8, ... , п-й 9 однопро-водниковых линиях электропередачи образуются стоячие волны электромагнитного поля. Частота и фаза колебаний всех участков стоячей

волны одинакова, а амплитуда этих колебаний меняется во времени вдоль однопроводнико-вого кабеля линии электропередачи от нуля («узлы») до максимального значения («пучности»). Электротранспортное средство 1 движется вдоль трассы в виде проложенных в дорожном покрытии 10 первой 5, второй 8, ..., п-й однопроводни-ковых линий электропередачи. Поскольку первая 5 и вторая 8, ..., п-я однопроводниковые линии электропередачи имеют длину, равную половине волны резонансной частоты, при этом первая и вторая однопроводниковые линии электропередачи располагаются параллельно друг другу на расстоянии, равном I = 2 4к, вектор магнитной индукции электромагнитного поля располагается горизонтально относительно дорожного покрытия 10 в зоне размещения энергосъемного устройства 7 (рис. 16).

На рис. 15 показаны стоячие волны напряженности магнитного поля вокруг однопроводнико-вого кабеля линии электропередачи.

На рис. 16 представлена схема формирования вектора магнитной индукции электромагнитного поля горизонтально вдоль направления движения электротранспортного средства.

Если первая 5 и вторая 8... , п-я однопроводни-ковые линии электропередачи имеют длину, равную четверти волны резонансной частоты, вектор магнитной индукции электромагнитного поля располагается вертикально относительно дорожного покрытия 10 в зоне размещения энергосъемного устройства 7 (рис. 17).

На рис. 17 изображена схема формирования вектора магнитной индукции электромагнитного поля в вертикальной плоскости?11

При размещении первой 5 и второй 8 ... , п-й однопроводниковых линий электропередачи перпендикулярно направлению движения транспортного средства 1 и эти линии имеют длину, равную половине волны резонансной частоты, вектор магнитной индукции электромагнитного поля располагается горизонтально относительно дорожного покрытия 10 и параллельно направлению движения транспортного средства 1 в зоне размещения энергосъемного устройства 7 (рис. 16).

Способ реализуется следующим образом. В резонансной системе электроснабжения при передаче электроэнергии в однопроводниковой линии электропередачи образуются стоячие волны электромагнитного поля. Векторы напряжен-

7 Л

41

7 ft

7 7

1 = V2h 1 1 = V2h I

•в-да-

Рис. 16. Схема формирования вектора магнитной индукции электромагнитного поля горизонтально вдоль направления движения электротранспортного средства.

Рис. 17. Схема формирования вектора магнитной индукции электромагнитного поля в вертикальной плоскости.

Рис. 18. Схема формирования вектора магнитной индукции электромагнитного поля горизонтально, поперек направления движения электротранспортного средства.

ностей электрического и магнитного полей ортогональны, а их амплитуды определяются, главным образом, мощностью источника электроснабжения. Значения магнитной напряженности вдоль однопроводниковой линии электропередачи изменяются по гармоническому закону. Передача электроэнергии осуществляется наиболее эффективно в «пучностях» стоячих волн электромагнитного поля. Каждый полупериод стоячая волна повторяется. Однако на четных и нечетных полуволнах направление тока, стимулирующего создание магнитного поля стоячей волны, противоположно (рис. 15). Если магнитные поля первой и второй полуволн сложить, магнитное поле в зоне размещения энергоприемного устройства усилится (рис. 16), а результирующий вектор магнитного поля здесь будет расположен горизонтально. Если сложить магнитные поля первой и второй четвертей волны, магнитное поле в зоне размещения энергоприемного устройства усилится (рис. 17), а результирующий вектор магнитного поля здесь будет расположен вертикально. Если магнитные поля первой и второй полуволн направить поперек трассы движения электротранспортного средства и сложить, магнитное поле в зоне размещения энергоприемного устройства уси-

лится (рис. 18), а результирующий вектор магнитного поля здесь будет расположен горизонтально.

На рис. 18 представлена схема формирования вектора магнитной индукции электромагнитного поля горизонтально, поперек направления движения электротранспортного средства.

Если однопроводниковые линии электропередачи длиной, равной четверть волны резонансной частоты, располагают параллельно друг другу на расстоянии, равном

I = 2 , где I - расстояние между соседними однопроводниковыми линиями электропередачи; к - расстояние от энергоприемного устройства до плоскости размещения первой, второй, ... , и-й однопроводниковых линий электропередачи и параллельно направлению движения электротранспортного средства, напряженности магнитных полей соседних однопроводниковых линий будут складываться, и результирующая напряженность при размещении энергосъемного устройства между двумя однопроводниковыми линиями на высоте к от дорожного покрытия возрастет!211

Применение предлагаемого способа целесообразно при реализации бесконтактных систем электроснабжения электротранспорта на трассах с насыщенным движением в городах, между городами.

Разработка обеспечивает повышение эффективности системы электроснабжения за счет усиления электромагнитного поля в зоне передачи электроэнергии, увеличения мощности передаваемой электроэнергии, обеспечения локализации энергосъемного устройства в зоне наиболее эффективной передачи электроэнергии?11

На рис. 19 изображена общая схема бесконтактного питания электротранспортных средств, предложенная научным сотрудником ГНУ ВИЭСХ В.З. Трубниковым.

27- 1

1 /

® О

® 24 О

® ®

Рис. 19. Общая схема установки для бесконтактного питания электротранспортного средства.

Устройство содержит регулируемый по напряжению и частоте источник электрической энергии 1, преобразователь 2, соединенный через резонансный конденсатор 3 с низковольтной обмоткой 4 высокочастотного резонансного трансформатора 5. Его высоковольтная обмотка 6 высокопотенциальным выводом соединена с высоковольтной линией 7, по которой осуществляется передача электрической энергии от источника к потребителю, а низкопотенциальным выводом высоковольтная обмотка 6 связана с землей 8.

Высоковольтная линия электропередачи 7 соединена с передающей обмоткой 9, размещенной в электроизоляционном слое 10, установленном в дорожном покрытии 11, а другой вывод передающей обмотки 9 соединен с землей 12, при этом параллельно передающей обмотке 9 подключен резонансный конденсатор 13. Первая приемная спиральная обмотка 14, установленная в колесе 15, через резонансный конденсатор 16 и выпрямитель 17 подключена к накопителю 18, к которому через второй выпрямитель 19 и резонансный конденсатор 20 подключена вторая приемная спиральная обмотка 21, расположенная в колесе 22. Третья приемная

прямоугольная обмотка 23, установленная на изолированной плате 24 и закрепленная на днище 25 кузова транспортного средства 26, через резонансный конденсатор 27 и выпрямитель 28 подключена также к накопителю энергии 18, который через силовой блок 29 питания и управления электротранспортным средством соединен с электроприводом 30 электротранспортного средства 26!221

Способ реализуется следующим образом.

Электрическую энергию питающей сети 1 преобразуют по частоте и напряжению преобразователем 2 и подают на резонансный контур, образованный емкостью конденсатора 3 и индуктивностью низковольтной обмотки 4 высокочастотного резонансного трансформатора 5, для возбуждения резонансных колебаний в его низковольтной цепи накачки энергии.

Высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки 6 высокочастотного резонансного трансформатора 5 через высоковольтную линию электропередачи 7 соединяют с началом передающей обмотки 9, которую располагают в электроизоляционном слое 10 дорожного покрытия 11, а второй конец передающей обмотки 9 соединяют с землей 12.

Вектор плотности потока электромагнитной энергии, создаваемого передающей обмоткой 9, направляют перпендикулярно вверх от полотна дорожного покрытия 11, выделяют и принимают первым резонансным контуром, образованным индуктивностью обмотки 14, размещенной в колесе 15, и емкостью конденсатора 16. При этом полученное напряжение переменного тока выпрямляют выпрямителем 17 и подают в накопитель 18.

Аналогично энергию электромагнитного поля, передаваемую обмоткой 9 и направленную перпендикулярно вверх от полотна дорожного покрытия 11, выделяют и принимают вторым резонансным контуром, образованным индуктивностью обмотки 21, размещенной в колесе 22, и емкостью конденсатора 20. При этом полученное напряжение переменного тока выпрямляют выпрямителем 19 и также подают в накопитель 18.

Энергию электромагнитного поля, передаваемую обмоткой 9 и направленную перпендикулярно вверх от полотна дорожного покрытия 11, выделяют и принимают третьим резонансным контуром, образованным индуктивностью прямоугольной обмотки 23, размещенной на электро-

изолированной плате 24 и закрепленной у днища 25 электротранспортного средства 26, и емкостью конденсатора 27. При этом полученное напряжение выпрямляют выпрямителем 28 и также подают в накопитель энергии 18. Накопитель энергии 18 через силовой блок 29 питания и управления электротранспортным средством соединяют с электроприводом 30, соединенным с колесами 15 и 22, осуществляющими движение электротранспортного средства 26.

Передающую обмотку 9, укладываемую в электроизоляционном слое 10, размещают в дорожном покрытии 11 секциями, удобными для монтажа при строительстве дороги, при этом обмотку 9 выполняют витками одинаковой длины и располагают в одной горизонтальной плоскости со смещением, при укладке рядами, на величину диаметра обмоточного провода с изоляцией. При этом направление электрического тока во всех проводниках передающей обмотки 9 под колесами 15 и 22 с приемными обмотками 14 и 21 направлены в одну сторону, что на рис. 19 обозначено крестиками или точками.

Принимаемую приемными обмотками 14, 21 и 23 от передающей обмотки 9 в процессе движения или покоя электротранспортного средства электромагнитную энергию выделяют в приемных резонансных контурах, выпрямляют, накапливают в общем накопителе 18, преобразуют в электрическую энергию требуемого формата и через силовой блок 29 питания и управления подают на приводной электродвигатель 30 электротранспортного средства. При этом один общий тяговый электродвигатель располагают на шасси электротранспортного средства и посредством трансмиссии соединяют с ведущими колесами или тяговые электродвигатели требуемой мощности располагают непосредственно в колесах электротранспортного средства в виде мотор-колеса, с общим силовым блоком питания и управления.

Передающие обмотки располагают в дорожном покрытии секциями, удобными для монтажа и подключения к фидеру и источнику питания, а также для осуществления встречно-параллельного движения электротранспортных средств витки обмотки располагают параллельно направлению движения электротранспортного средства, при этом короткие поперечные витки передающей обмотки заглубляют и размещают в электроизоляционном слое ниже продольных.

В участках дорожного покрытия каждую секцию передающих обмоток подключают через высоковольтную линию электропередачи, высокочастотный резонансный трансформатор к преобразователю частоты с источником питания. Посекционный монтаж и коммутация передающих обмоток повышает также эксплуатационную надежность работы электротранспортного средства.

Коммутация приемных обмоток и питание электрооборудования электроэнергией при движении электротранспортного средства от участка к участку дорожного покрытия с передающими обмотками происходит при появлении его в зоне энергетического обслуживания данного участка дороги, при этом метод энергетической коммутации базируется на специальной частотной настройке передающих и принимающих резонансных контуров.

Предлагаемый бесконтактный способ питания электротранспортных средств при укладке передающей обмотки в изоляционном слое дорожного покрытия с защитой от возможных механических повреждений не требует сооружения контактных сетей, тяжелых приемных кабельных барабанов или кабельных каналов, обладает высокой надежностью, малыми потерями энергии при ее передаче и высоким КПД передачи за счет использования трех приемных обмоток, а также улучшает электрическую и электромагнитную безопасность.

Изготовлен экспериментальный образец установки для бесконтактной передачи электрической энергии при помощи резонансного магнито-индукционного преобразователя для бесконтактного электроснабжения мобильных сельскохозяйственных электроагрегатов, который представлен на рис. 20.[241

Магнито-индукционная система питается от резонансного высокочастотного генератора, содержит передающую обмотку магнито-индук-ционной системы, расположенную в дорожном покрытии, две приемные обмотки магнито-индук-ционной системы, расположенные по окружности резиновых колес мобильного электроагрегата, а также плоскую приемную обмотку, установленную на днище мобильного средства. При помощи магнито-индукционного преобразователя бесконтактным способом передана электрическая мощность 3 кВт от генератора к макету мобильного электроагрегата (по 0,5 кВт на круглые обмотки и 2 кВт на плоскую обмотку).

Рис. 20. Общий вид экспериментального образца магнитоиндукционной системы: а - две круглые приемные обмотки; б - плоская приемная обмотка на платформе; в - круглые и плоская приемные обмотки; три приемные обмотки расположены на передающей обмотке.

Энергетические характеристики установки при передаче электроэнергии измеряли на экспериментальном образце одновременно с тремя резонансными энергоприемными устройствами, представляющими собой приемные обмотки с емкостями и нагрузкой. Расстояние на перекатываемом барабане между плоскостями круглых обмоток составляет 1,05 м. В результате экспериментов установлено, что передача на круглую обмотку по эффективности не уступает передаче на плоскую обмотку. При этом эффект передачи на плоскую катушку значительно снижается с увеличением зазора между передающей и принимающей обмотками.

При практической реализации рассматриваемого способа передачи электроэнергии использование круглых катушек, размещаемых в колесах транспортного средства и наиболее близко расположенных к передающей обмотке, является более предпочтительным, что очень важно при конструировании приемных энергетических устройств для бесконтактного электроснабжения мобильных электротранспортных средств и сельскохозяйственных электроагрегатов.

В разработанном методе передачи электрической энергии в качестве передающей энергию среды используется реактивное высокочастотное электромагнитное поле, генерируемое резонирующими элементами обмотки передающей части системы, подобно радиоизлучающим магнитным вибраторам, при этом относительно малая рабочая частота не создает дополнительных электромагнитных потерь.

Энергопитающая резонирующая магнитоин-дукционная дорожная полоса может быть реализована на элементах с распределенными параметрами и питаться от преобразователя через резонансный трансформатор в режиме стоячих

волн по передающей линии электропередачи в воздушном или кабельном исполнении.!221

Разработанный бесконтактный метод питания электрической энергией электромобилей, троллейбусов, трамваев, электропогрузчиков, электротракторов, электромобильных кормораздатчиков и других электротранспортных средств обеспечивает повышение КПД передачи электрической энергии, надежности электроснабжения, снижение потерь электромагнитной энергии на излучение при передаче, повышение электромагнитной безопасности системы питания электротранспортного средства.

Разработано устройство для энергоснабжения и управления самодвижущимися электрифицированными транспортными средствами, перемещающимися вблизи дорог и улиц, по тротуарам и обочинам, питающимися от централизованной электросети или автономного стационарного источника электроэнергии с использованием бесконтактных резонансных систем передачи электроэнергии, что повышает техноэкономиче-ские характеристики систем электроснабжения и управления движением, эффективность и производительность электротранспортных средств!231

На рис. 21 показаны электротранспортное средство 1, вспомогательная машина 2, передающая часть 3 системы электроснабжения, дорожное покрытие 4, покрытие тротуа ра 5. Передающая часть 3 системы электроснабжения электротранспортного средства 1 и вспомогательной машины 2 содержит первичный источник электрической энергии 6, преобразователь частоты 7, резонансный конденсатор

8, резонансный высоковольтный трансформатор

9, однопроводниковую линию электропередачи 10, энергоприемное устройство 11, систему обратного преобразования энергии 12 на вспомогательной

Рис. 21. Общая схема системы электроснабжения электротранспортных средств, передвигающихся по дороге и тротуару.

машине 2, энергоприемное устройство 13, систему обратного преобразования энергии 14 на электротранспортном средстве 1. Энергоприемное устройство 11 размещено на боковой стороне вспомогательной машины 2 и разделено с однопровод-никовой линией электропередачи 10 воздушным промежутком 15, энергоприемное устройство 13 размещено на боковой стороне электротранспортного средства 1 и разделено с однопроводниковой линией электропередачи 10 воздушным промежутком 16. Однопроводниковая линия электропередачи 10 смонтирована в бордюрном разделении 17 между дорогой и тротуаром.

Устройство работает следующим образом. От первичного источника электрической энергии 6 через преобразователь частоты 7, резонансный конденсатор 8, резонансный высоковольтный трансформатор 9 электрическая энергия поступает в однопроводниковую линию электропередачи 10. Вокруг однопроводниковой линии электропередачи 10 создаются стоячие волны электромагнитного поля. При движении вспомогательной машины 2 вдоль однопроводниковой линии электропередачи 10 энергоприемное устройство 11 находится в электромагнитном поле однопроводниковой линии электропередачи 10. При этом электроэнергия через воздушный промежуток 15 и энергоприемное устройство 11 поступает в систему обратного преобразования энергии 12 и далее к энергопотребителям 18 на вспомогательной машине 3. Аналогично при движении электротранспортного средства 1 вдоль однопроводниковой линии

электропередачи 10 энергоприемное устройство 13 находится в электромагнитном поле однопроводниковой линии электропередачи 10. При этом электроэнергия через воздушный промежуток 16 и энергоприемное устройство 13 поступает в систему обратного преобразования энергии 14 и далее на энергопотребители 19 на электротранспортном средстве 1.

Поскольку трасса прокладки однопроводниковой линии электропередачи 10 совпадает с трассой движения электротранспортных средств движения, трасса прокладки однопроводниковой линии электропередачи 10 используется для управления движением электротранспортных средств по заданному маршруту.

Недостатками устройств на рис. 17-22 являются большие потери на излучение в однопроводниковой линии и повышенная опасность при эксплуатации высоковольтной высокочастотной линии.

Для снижения потерь в однопроводниковой линии на излучение и повышения электрической безопасности эксплуатации электрических линий, передающих энергию на электротранспортное средство, система электроснабжения бесконтактного электротранспорта содержит дополнительно питающую экранированную од-нопроводниковую электроизолированную линию, установленную стационарно параллельно направлению движения электротранспортного средства и соединенную с повышающим резонансным высокочастотным трансформатором, экран

питающей линии выполнен из отдельных изолированных друг от друга участков, длина которых много меньше резонансной длины волны Х0 тока и напряжения в питающей линии, а тяговая одно-проводниковая линия выполнена из изолированных друг от друга секций с длиной /0, значительно меньшей резонансной длины волны Х0 тока и напряжения в линии /0<<Х0 /0=кЯ0, где к = 0,001-0,1, каждая секция с длиной волны /0 соединена с питающей линией через коммутатор с блоком управления и датчиком нахождения электротранспортного средства в данной секции!241

Источник питания 1 на рис. 22 соединен с питающей экранированной однопроводниковой линией 2 через преобразователь частоты 3 и высокочастотный резонансный повышающий трансформатор Тесла 4. Питающая экранированная линия 2 с экранами 5 установлена параллельно тяговой неэкранированной однопроводниковой линии 6, которая находится в непосредственной близости от электрического транспортного средства 7. Тяговая однопроводниковая линия 6 изолирована от высокочастотного трансформатора Тесла 4 и состоит из секций 8 с длиной волны /0, /0<<Х0, где Х0 - длина волны резонансных электрических колебаний в питающей линии 2

^ /о

где с - скорость распространения электрических колебаний; /0 - резонансная частота.

Секции 8 соединены с питающей линией 2 через электронные коммутаторы 9 с блоком управления 10 и датчиком 11 нахождения (присутствия) транспортного средства 7 в секции 8. Линия 2 и все соединения с электронным коммутатором 9 и секцией 8 имеют экраны 5. Экран 5 питающей линии 2 состоит из изолированных друг от друга участков 12, длина которых 1э значительно меньше резонансной длины волны колебаний тока и напряжения в питающей линии 2, /э<<Х0[.241

Электрическое транспортное средство 7 на рис. 23 имеет приемник 13, который установлен в непосредственной близости от секций 8 тяговой линии 6. Приемник 13 соединен через понижающий резонансный высокочастотный трансформатор 14, выпрямитель 15, инвертор 16 с тяговым электродвигателем 17. Секции 8 тяговой однопроводниковой линии 6 установлены в дорожном покрытии 18!241

Устройство и способ бесконтактной передачи электрической энергии реализуется следующим образом. Электрическая энергия от источника энергии 1 поступает в преобразователь частоты 3, где увеличивается по частоте до 1-500 кГц. В резонансном высокочастотном трансформаторе Тесла 4 возникают резонансные колебания тока и напряжения с резонансной частотойрезонан-сные колебания увеличиваются по напряжению в повышающем высокочастотном трансформаторе Тесла 4 и через высоковольтный вывод 6 поступают в экранированную однопроводниковую питающую линию 2 с экраном 5. Экран 5 выполнен по всей длине линии 2 из изолированных друг от друга участков 12, длина которых 1э много меньше длины волны тока и напряжения в линии 6, /э<< Х0. При приближении электрического транспортного средства к секции 8 тяговой однопроводни-ковой линии 6 срабатывает датчик 11, который через блок управления и коммутатор соединяет питающую экранированную линию 6 с секцией 8. Электрические колебания с длиной волны

л=-

/о

поступают через электрический конденсатор, образованный линией 6 и приемником 13, понижающий резонансный трансформатор 14, выпрямитель 15 и инвертор 16 на тяговый электродвигатель 17. При подходе электротранспортного средства 7 к следующей секции тяговой линии 6 срабатывает датчик 11 блока управления 10 и коммутатор 9 этой секции и подключает питающую линию 2 с данной секцией 8 и отключает предыдущую секцию 8 от питающей линии 2. Потери на излучение в линии без экрана определяются фор-мулой:!251

С, = W Оя1

где 1эфф. - эффективная плотность тока в линии; / - длина линии; Х - длина волны.

При длине секции 8 /0=кХ0 потери на излучение составляют: Рд=12эфф80ж2к2, а при длине несек-ционированной линии /0=Х Р,=12 фф.80п2.

1 эфф.

р

Отношение = к2, т.е. потери на излучение уменьшаются в к2 раз.

15 16 7 17

—о и и 11—о Ü

! 9 ! ! 9

Рис. 22. Электрическая схема секционирования тяговой линии бесконтактной передачи электрической энергии на электротранспортное средство.

На рис. 24 и 25 представлены макетные образцы электрифицированной железной дороги и электрического самолёта с однопроводниковой резонансной системой электроснабжения.

В настоящее время ведутся работы по увеличению мощности бесконтактного привода и разработке коммерческого проекта резонансной электротранспортной системы.

За изобретение «Действующий макет резонансной однопроводной электрической системы для электротрактора» ВИЭСХ награжден серебряной медалью и дипломом X Международного салона промышленной собственности «Архимед 2007».

На VI международном симпозиуме, посвященном 150-летию Н. Тесла в Белграде в октябре 2006 г. Правительство Сербии наградило ВИЭСХ за вклад в практическую реализацию технологий Н. Тесла по передаче электрической энергии.

Литература:

1.Розенфельд В.Е., Староскольский Н.А. Высокочастотный бесконтактный электрический транспорт. М.: Транспорт, 1975. - 208 с.

2. Патент РФ №2136515. Способ питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления / Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. // БИ. 1999. №25.

3. Патент РФ №2297928. Способ питания электрических транспортных средств и устройство для его осуществления / Стребков Д.С., Некрасов А.И., Юферев Л.Ю., Кармазин А.Н. и др. // БИ. 2007. № 12.

4. Патент РФ №2158206. Устройство для электроснабжения мобильного электрического агрегата /

Рис. 23. Схема бесконтактного электроснабжения электрического транспорта с расположением тяговой однопроводниковой линии в дорожном покрытии .

Рис. 24. Макетный образец электрифицированной железной дороги с однопроводниковой резонансной системой электроснабжения.

Стребков Д. С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. // БИ. 2000. №30.

5. Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. Однотроллейная система электроснабжения мобильных электроагрегатов // Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве. Материалы международной научно-техн. конференции (7-9 июня 2000 г., г. Минск). Минск - Москва, 2000. С. 65-66.

6. Патент РФ № 2269854. Кабельная система электроснабжения мобильного подвижного сельскохозяйственного объекта / Стребков Д.С., Королев В.А., Некрасов А.И., Топорков В.Н. // БИ. 2006. №1.

14

7

8

8

9

5

2

12

3

4

1 3

5

Рис. 25. Макет электрического самолёта с питанием по однопроводниковой резонансной линии.

7. Патент РФ №2143775. Способ и устройство для передачи электрической энергии / Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. // БИ. 1999. №36.

8. Патент РФ №2548571. Система для беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии по лазерному лучу / Стребков Д.С., Звонов А.А., Моисеев М.В. // БИ. 2015. № 11.

9. http://tvzvezda.ru/news/vstrane_i_mire/content/ 201705121551-szsu.htm

10. Патент РФ № 2172546. Способ и устройство для передачи электрической энергии / Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. // БИ. 2001. № 23.

11. Стребков Д.С. Возможность передачи электрической энергии без металлических проводов // Доклады РАСХН. 2002. № 1. С. 47-50.

12. Стребков Д.С., Некрасов А.И., Верютин В.И., Рощин О.А., Юферев Л.Ю. Исследование однопроводни-ковой резонансной системы электроснабжения // Достижения науки и техники АПК. 2007. №6. С. 6-8.

13. Стребков Д.С. Никола Тесла и перспективы создания бесконтактных высокочастотных роботизированных мобильных средств // Сборник докладов IX Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (19-20 сентября 2006 г., г. Углич). Ч. 1. - М.: Изд-во ГНУ ВИМ, 2006. - С. 84-97.

14. Патент РФ № 2554723. Способ и устройство электроснабжения воздушного летательного аппарата / Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Рощин О.А. // БИ. 2014. № 35.

15. Патент РФ № 2521108. Устройство передачи электрической энергии в ракетно-космических комплексах / Юферев Л.Ю., Рощин О.А., Межерицкий Е.Л., Морозов В.В., Жучков А.Г., Стребков Д.С. // БИ. 2014. № 18.

16. Патент РФ ПМ № 130956. Устройство для электроснабжения электрического планера или электросамолета при взлете / Рощин О.А., Стребков Д.С. // БИ. 2013. № 22.

17. Патент РФ № 2297928. Способ питания электрических транспортных средств и устройство для его осуществления / Стребков Д.С., Некрасов А.И., Юферев Л.Ю., Карамзин А.Н., Рощин О.А., Верютин В.И. // БИ. 2005. № 12.

18. Патент РФ № 2353531. Способ питания электрических транспортных средств и устройство для его осуществления / Стребков Д.С., Петрик В.И. // БИ. 2007. № 12.

19. Стребков Д.С. Никола Тесла и перспективы создания бесконтактных высокочастотных роботизированных мобильных средств // Сборник докладов IX Международной конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» 19-20 сентября 2006, г. Углич, ч. 1. - М., изд. ВИМ, 2006. С. 84-97.

20. Патент РФ № 2411142. Способ беспроводной передачи электрической энергии и устройство для его осуществления / Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Верютин В.И., Рощин О.А., Трубников В.З. // БИ. 2010. № 4.

21. Патент РФ № 2442700. Способ и устройство бесконтактного электроснабжения электротранспортного средства (варианты) / Стребков Д.С., Королев В.А., Некрасов А.И., Трубников В.З. // БИ. 2010. № 5.

22. Стребков Д.С., Трубников В.З., Некрасов А.И., Богданов А.Ю. Электроиндукционный метод беспроводной передачи электрической энергии для сельскохозяйственных мобильных агрегатов // Альтернативный киловатт. 2013, № 1. С. 44-47.

23. Патент РФ № 2443578. Устройство энергоснабжения и управления движением электротранспортных средств/ Стребков Д.С., Королев В.А., Башилов А.М., Некрасов А.И., Трубников В.З. // БИ. 2012. № 6.

24. Патент РФ № 2490146. Устройство и способ бесконтактной передачи электрической энергии / Стребков Д.С. // БИ. 2013. № 23.

25. Семёнов А.А. Теория электромагнитных волн. -М.: Изд. МГУ, 1968. С. 76-81.